Устройство для измерения нормальных напряжений

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ HBI EPEUHfl .НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее |два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращения одного из них и манометры, вмонтированные в цилиндры, отличающееся тем, что, с целью расширения класса измеряемых материалов за счет измерения водно-волокнистых суспензий, соотношение между диаметра ми выбирают 1:1,08 при условии, что (н-ивн

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(5Ц Я 01 М 11/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОЦ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ с

1 . "

i (21 ) 3416519/18-25 ,(22) 02.04.82 (46) 23.12.83. Бкл.947 (72) З.A. Смирнова, О.A. Терентьев, И.Д. Кугушев и В.Н. Гончаров (71 ) Ленинградский ордена Трудового.

Красного Знамени технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности (53) 532.137(088.8)

{56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 352197, кл. g 01 К 11/14, 1969.

2. Papenhnij zen J.М.P,М. Van den

Tempel. The Normal Stress.-Rheol.

Ас1а, 1 967, 6, р.31 1 (прототип}

{54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ,HOPMAJIbHHX НАПРЯЖЕНИЙ, содержашее, два концентрично расположенных цилиндра с возможностью врашения одного из них и манометры, вмонтированные в цилиндры, о т л и ч а юц е е с я тем, что, с целью расширения класса измеряемых материалов за счет измерения водно-волокнистых суспензий, соотношение между диаметрами выбирают 1:1,08 при условии, что

Овн1 - ()н ) ви}<(он- вн1,<4(n-<1, где2н — диаметр наружного цилиндрами

Эвц- диаметр внутреннего цилиндра;

Ьц- вви},=16, д = 2

1 = 1,2,3,4 и 5.

1062565

Изобретение относится к гидродинамике, а точнее к реологии волокнистых суспензионных систем, и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для обоснования оптимальных параметров технологических процессов.

Известно устройство, которое позволяет измерять нормальные напряжения, снабженное проходящим через днище внутреннего цилиндра игольча- 10 тым стержнем, соединенным.с датчиком нормальных напряжений j1) .

Однако данный прибор сложен по конструкции. Иглообразный стержень, проходя через днище внутреннего )5 цилиндра, упирается в коническое гнездо промежуточного цилиндра.

Внутренний цилиндр заполняют испытуемой жидкостью, внешний — ньютоновской жидкостью и приводят во вращение в противоположном направлении. . Устройство отличается сложностью регистрации нормальных напряжений (их замер возможен при резкой остановке вращающихся цилиндров) и не позволяет замерять нормальные напряжения в волокнистых суспензиях.

Наиболее близким к изобретению является устройство, состоящее из двух концентрично расположенных

1 цилиндров, один иэ которых {внутренний) установлен с возможностью вра щения, и манометров, вмонтированных в цилиндры, по которым судят о нормальных напряжениях исследуемых материалов столба жидкости в трубке (2), Недостатком известного устройства является невозможность измерения нормальных напряжений, возникающих в вязкоупругих .суспензиях целлюлозно-бумажного производства, так как 40 волокнистые суспензии целлюлознобумажного производства, представляющие собой крупнодисперсные системы, .не могут быть свободно загружены в зазор между коаксиальными цилиндрами 45 ввиду соизмеримости. величин исследуемых частиц дисперсной фазы с величиной зазора. Кроме того, снятие показаний давления с поверхности внутреннего цилиндра не представляется воз- 50 можным вследствие непрозрачности волокнистых суспензий.

Целью изобретения является расширение класса измеряемых материалов 55 за счет измерения водно-волокнистых суспензий.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения нор- 60 мальных напряжений, содержащем два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращения одного из них и манометры, вмонтированные ! в цилиндры, соотношение между диамет-g5 рами выбирают 1:1,08 при условии, что

ФН- Вн) i - (>н- Вн - Фн-08„1, 4 (>1- }, I где l)u — диаметр наружного цилиндра, (DH- 06н) =

2;

tl = 1,2,3,4,5;

ЭВк — диаметр внутреннего цилиндра.

Указанное соотношение диаметров обеспечивает величину зазора между коаксиальными цилиндрами 10 мм (при величине диаметра внутреннего цилиндра 240 мм). Выбор данного соотношения объясняется особенностями внутреннего строения волокнистых суспен- зий. Волокнистые суспенэии целлюлозно-бумажного производства представляют собой дисперсные системы, содержащие крупные частицы дисперсной фазы - волокна и маловяэкую дисперсионную среду, например воду. Гибкие и тонкие волокна (длиной 2-3 мм, толщиной 0,035 мм) образуют в суспензии путем контактов лежду собой трехмерную структурную сетку зацеплений, достаточно неоднородную,. состоящую из крупных структурных образований - флокул величиной 68 мм в диаметре. Исследование подобных систем можно производить в устройстве, в которо л зазор между коаксиальными цилиндрами в несколько раэ больше геометрических размеров частиц дисперсной фазы — волокой и флокул. Это необходимо для обеспечения условия равномерного нестесненного расположения волокнистой суспенэии между измерительными поверхностями коаксиальных цилиндров.

Исходя из этого условия, оптимальный боковой зазор между поверхностями коаксиальных цилиндров 10 мм.

При наложении сдвиговых течений трехмерная сетка деформируется и в ней появляются неодинаковые по величине нормальные напряжения Ри, действутбщие в направлении сдвигового тече-. ния, и Р22 дейстВующие в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига, т.е. возникает первая раз-! ность нормальных напряжений 6 =Р«

Р22При небольших скоростях течения в волокнистой суспенэии сохраняется трехмерная структурная сетка в виде стержневого течения. По мере увеличения скоростей сдвига (при определенной величине зазора между коаксиальными цилиндрами, равной

10 мм) трехмерная структурная сетка начинает постепенно разрушаться в направлении от стенки внутреннего цилиндра к наружному. В результате в зазоре между коаксиальными цилиндрами при вполне определенном значе1062565 нии скорости сдвига трехмерная структурная сетка целиком разрушается и устанавливается сдвиговое (слоистое) течение с почти линейным профилем скоростей. Вследствие структурных изменений в трехмерной волокнистой сетке нормальные напряжения, характеризующие внутренние прочностные свойства сетки, также претерпевают соответствующие изменения.

Упомянутый режим сдвигового тече- 10 ния устанавливается только в том случае, когда в зазоре существует однородное поле скоростей сдвига и напряжений, т.е. когда соотношение диаметров внутреннегoDgq и наруж- 5 ного ЗН цилиндров составляет 1:1,08 при и ьнМ к- вне Ф н- вн11 (<-1) . 20

ra<(Dp-Ýðö),=16, d =2, Ь =1,2,3,4,5.

Неэначйтельное отступление от укаэанного соотношения диаметров цилиндров в сторону уменьшения зазора (приблизительно на 1,5-2 мм) способствует образованию значительных зон, неоднородных .по концентрации. Изменение соотношения диаметров цилиндров в сторону увеличения зазора (на 2-3 мм) между цилиндрами приводит к образованию в заэсре неоднородного поля скоростей сдвига и напряжений, к нарушению линейного профиля скоростей, что способствует 35 сохранению в некоторой части зазора трехмерной волокнистой сетки, стержневого течения, которое искажает измеряемые величины нормальных напря-. жений, так как увеличивается соотно-. 40 шение

2 .2 н вн

Ds„

Нарушение данного соотношения диа-45 метров цилиндров не позволяет зафиксировать важный для производственных гидравлических машин параметр работы — наступление полного разрушения трехмерной волокнистой сетки и соответствующие им значения нормальных напряжений.

Выполнение размеров цилиндров в указанном соотношении диаметров позволяет не только измерять нормальные напряжения в волокнистых суспензиях, но и точно зафиксировать критические режимы, при которых происходят значительные изменения в структуре волокнистых сеток, соответствующие смене режимов течения. 60

На чертеже приведена схема данного устройства.

В наружном цилиндре 1 концентрично расположен внутренний цилиндр 2 с зазором 3, который опирается на 65 подшипники 4 и оси 5. Наружный цилиндр 1 опирается -на подшипники 6 и приводится во вращение электродвигателем 7 через коробку 8 ско ростей и . коробку передач 9.

Зазор 3, в который помещают исследуемый материал, в верхней части открыт на воздух. Йзмерительные трубки-микроманометры 10 внутреннего цилиндра - соединены с вакуумированным объемом 11, внешний манометр

12 соединен с атмосферой. Линейка

13 служит для измерения высоты столба волокнистой суснензии. Для проверки соосности расположения внутреннего цилиндра 2 относительно наружного цилиндра 1 и исключения влияния биений на результаты показаний в случае неправильной установки .цилиндров устройство снабжено тензометрическим датчиком 14, соединенным поводком с внутренним цилиндром 2, и самопишущим электронным мостом 15.

Устройство работает следующим образом.

Приводят в движение наружный ци-, линдр 1. В случае неправильной установки внутреннего цилиндра.2 в наружном цилиндре 1 на ленте самопишущего электронного моста записывается кривая, на которой значения разности между максимальными и минимальными значениями показаний достигают

10 мм. В случае правильной установки цилиндров разность показаний между максимальными и минимальными значениями показаний 2-3 мм.

Далее заполняют зазор 3 исследуемым материалом таким образом, что его.уровень находится на середине шкалы внешнего манометра 12. Внутренние микроманометры 10 соединяются с вакуумированным объемом 11 таким образом, что уровень жидкости в них также предварительно установлен на середине линейки 13. Наружный цилиндр 1 приводят во вращение со строго заданной скоростью. Показания давлений в манометрах снимают без остановки работы устройства.

Величины давлений Р и Р2, измеренные на поверхностях наружного 1 и внутреннего 2 цилиндров соответственно, подставляются в формулу для вычисления первой разности нормальных напряжений:

1 . CP (вл 2)

6 -Р -е

11 Я2 2 где P — величина нормального напря11 жения, действующая в направлении сдвигового течения 2 — величина нормального напряже.. ния, действующего в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига;

1062565

ВНИИПИ Заказ .10208/43 Тираж 873 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä ул.Проектная,4 > в DC„

CP p M

hr - величина зазора 3 между коаксиальными цилиндрами 1 и 2. 5

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить круг исследуемых материалов при измерении нормальных напряжений, а именно измерять нормальные напряжения в во- 0 локцистых суспензиях,и контролировать состояние структуры потока движущейся суспензии. Полученные значения нормальных напряжений дают возможность выбрать оптимальные режимы работы и параметры проточных частей гидравлических машин, применяемых в целлюлозно-бумажной промышленности, в частности напорных ящиков бумагоделательных машин, работа которых определяет качество готовой бумаги;

Кроме того, при проектировании систем гидротранспорта волокнистых суспензий целлюлозно-бумажной промышленности знание величин нормальных напряжений позволяет найти оптимальные параметры транспортирующих систем и, тем самым, снизить расходы энергии.